压力容器用钢板的强韧化机理及其控制轧制理论研究

压力容器用钢板的强韧化机理及其控制轧制理论研究景文东（青海省特种设备检验所，青海西宁，810000）摘要:文章就压力容器用钢板的强韧化机理及其控制轧制理论进行了深入分析。关键词:钢板；强韧化；控制；轧制1.钢的强韧化1.1钢的强化机制通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。大部分金属材料的属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此，任何阻碍位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径。因此，传统的对金属的强化手段主要有以下几种：（1）结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：①细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。②提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。（2）形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。（3）固溶强化。通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。（4）相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类：①沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散的分布在组织当中，从而有效的提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。②马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。（5）晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。（6）综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法综合强化，以充分发挥强化能力。例如：①固溶强化+形变强化，常用于固溶体系合金的强化。②结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。③马氏体强化+表面形变强化，对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。④固溶强化+沉淀强化。对于高压承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。1.2材料的韧性一般来说，韧性（又名韧度）是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。因此可以用材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少来表示韧性的高低。提高钢材韧性的途径一般有：（1）成分控制一般地说，加入基体（铁）的合金元素对基体形成间隙式固溶强化或置换式固溶强化有明显的效果。在一定的条件下（如能形成稳定的化合物、足够的合金含量等）还可形成析出强化，使材料的强度提高。但同时合金含量的增加造成了基体内缺陷的增加，从而降低了材料的塑性和韧性。钢中的S、P是不可避免的元素。这两个元素对断裂韧性是有害的。P导致回火脆性和影响交叉滑移；而S则增加夹杂物颗粒，减小夹杂物颗粒间距都使材料韧性下降。因此在生产中要求尽可能降低S、P含量，另一方面也要求从韧性出发来确定这些杂质含量的上限。碳是钢中最重要的成分，碳量增加则钢中珠光体量增加。在生产中为提高材料的韧性往往采用在该钢种允许的成分范围内降低碳含量，由此产生的强度下降则由增加成分中锰含量来弥补。此外，现已知少量的V、Nb、Ti、Al、Zr元素由于能够细化晶粒，因而成为既能提高强度又能提高韧性的重要控制元素。最后应指出，各种牌号的钢通常都是二元以上的合金，合金组元之间有交互作用。此外，合金元素可以通过不同途径同时影响断裂韧性。（2）气体和夹杂物控制钢中的气体主要是氢、氧、氮，夹杂物主要是氧化物和硫化物。氢可以引起白点和氢脆，应该尽量降低。氮与位错结合力较强，通过形成气团而阻止位错运动，使钢的韧性下降。当氮为固溶态时危害更大。只有在普通低碳合金钢中，若钢中有钒则能与氮形成VN，能提高钢的强度并且阻止奥氏体再结晶，轻度的细化晶粒，还可看作是有益元素。钢中的氧常以氧化物形式存在，一般说来，夹杂物含量愈多韧性愈低，尤其是超过临界尺寸的夹杂物存在会使韧性明显降低。（3）压力加工工艺控制钢材的压力加工是使钢材获得所需形状和改善钢材性能的重要手段。对于热轧钢材除了用冶炼工艺控制化学成分，气体和夹杂物外，主要依靠压力加工工艺控制晶粒大小及取向，改变材料的韧性。（4）热处理工艺的选择热处理是改变金属材料结构，从而控制材料性能的重要工艺。近三四十年发展起来的形变热处理工艺则是将形变和热处理结合起来以改善材料性能的新工艺。2钢材的控制轧制理论2.1钢的奥氏体化过程所谓奥氏体化是指在加工前将钢加热到奥氏体区，是形核、长大均匀化过程。对亚共析钢来说，加热到Ac1以上，进行保温、形核、长大、剩余渗碳体（Fe3C）溶解和奥氏体均匀化。对于共析钢和过共析钢来说，加热到Ac1以上，使珠光体变为奥氏体。进一步加热到Acm以上，保温足够时间，使铁素体或渗碳体溶解，获得单相奥氏体。2.2钢的变形再结晶变形后的金属加热发生再结晶，根据温度不同有回复、再结晶和晶粒长大。回复仍为拉长的晶粒，但储存能降低，为前阶段。而再结晶是新晶粒的形核及长大过程，不是相变，无畸变能。核心的产生有两种形式：一是原晶界的某部位变为核心;二是某些亚晶变为核心，而形核速率和长大速度决定了晶粒的大小。2.3在变形条件下的相变（1）变形后的奥氏体向铁素体的转变①从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒铁素体晶粒优先在奥氏体晶粒上生成，一般在晶内不生核。所生成的铁素体既有块状（等轴）的，也有分布在原奥氏体晶粒内部呈针状的先共析铁素体（魏氏组织铁素体）。钢中魏氏组织的形成会降低钢的冲击韧性和塑性，因而希望低碳钢的热轧产品中尽量减少以至消除魏氏组织。②从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒。③从未再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体晶粒。（2）变形使珠光体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。变形对奥氏体向贝氏体转变的影响比较复杂。2.4轧制条件下钢的变形抗力在控制轧制中金属的变形抗力不仅是变形温度、变形量、化学成分的函数，而且与变形过程中金属的组织变化有关。而后者在热加工过程中是可以忽略的。具体为：（1）如图1所示，奥氏体晶粒越小屈服应力越大。（2）随着微量元素添加量的增加，再一次加工时变形应力的变化。曲线表明，变形应力随铌的增加而增大。（3）在控制轧制温度下，多道次轧制时随着轧制温度降低，奥氏体变形抗力增大。图1奥氏体中晶粒尺寸对屈服强度的影响参考文献：[1]陈瑛.中厚钢板控轧控冷技术综述[J].宽厚板,2004,10（5）：4-7.[2]GB6654-1996,中华人民共和国国家标准(压力容器用钢板)[S].[3]宋维锡.金属学[M].北京:冶金工业出版社.1996.